内窥检测与物探技术在排水设施管网排查中的应用

杨 雷,何 辉

(深圳市水务规划设计院股份有限公司，广东 深圳 518000)

在开展了海绵城市建设PPP试点项目、工业区正本清源工程、污水支管网建设工程、城中村排水管网接驳改造工程、全面消除黑臭水体治理等工程后，光明区水环境质量已有很大提升，光明水质净化厂2017年至2019年进水BOD浓度分别为44.61、74.83、123.03 mg/L，进水浓度提升效果明显。但由于区内仍存在雨污分流不彻底、排水设施不完善、大量建筑工地排水、存量管网及排水设施大量老旧等，对水环境质量的提升形成严重制约，光明区仍面临部分黑臭水体出现返潮无法稳定达标、污水处理厂进厂浓度偏低，运行效率低下等严峻问题[1-5]。在国家、省、市各级部门的宏观政策支持下，本文采用内窥检测与物探技术，对排水设施管网进行排查。光明区为巩固黑臭水体治理成效，进一步提升流域水环境、提升区内污水收集处理效能，开展了本次存量排水设施提质增效工程。

1.1 工程地质条件

1.1.1 地形、地貌

工程区原始地貌主要有低台地、盆地，宽谷冲积台地，地形高差10～30 m，现因城市改造，地形变化大，除鹅颈东坑片区地势起伏变化大外，其他工程区内地形平缓，地面高程多在+10～+20 m。

1.1.2 地层特征

根据前期的地勘资料可知，场地内浅地表内的地层岩性主要有：

(1)人工填土层(Qml)。①素填土。黄褐色、褐黄色、杂色，松散，主要由粉质黏土及组成，局部夹有少量碎石、砂砾，稍湿，松散状、不均匀，部分钻孔顶部有厚10～30 cm混凝土路面。场地层厚0.40～11.50 m。由于场地多为城建区，由于工程建设经常开挖回填，堆填时间不一，固结程度不一，密实度也不一。②杂填土。主要见于茅洲河现两岸，杂色，松散，为建筑垃圾回填，局部的混凝土块较大，地表可见直径1 m，部分为生活垃圾回填，最厚13 m。

(2)第四系冲洪积层(Qal+pl)。①淤泥质土。灰黑色、深灰色，流塑状，土质不均匀，局部为淤泥或淤泥质砂，揭露层厚为0.50～6.10 m，平均厚度2.34 m。②粉(砂)质黏土。黄褐色、褐黄色、灰白色，可塑—硬塑，摇震无反应，不均匀，含有少量砂砾及铁锰氧化物结核，干强度较高。该地层各场地内均有揭露，揭露层厚为0.50～10.50 m，平均厚度4.95 m。③粉细砂。灰白、黄褐、褐黄色，饱和，松散—稍密，矿物以石英砂砾为主，含有10%的粘粒。该层在少部分社区钻孔揭露。揭露层厚0.30～5.00 m。④中粗砂。灰白、黄褐、褐黄色，饱和，稍密为主，局部松散或中密，以石英砂砾为主，含有约10%的黏粒，局部呈透镜体状分布。揭露层厚0.50～10.40 m。⑤砾砂。黄褐、褐黄色、灰白色，饱和，密实，矿物以石英砂砾为主，含有约15%的黏粒，少数钻孔有揭露。揭露层厚1.90～4.90 m。

(3)第四系残积层(Qel)。依据母岩的特性分为：①残积土(砂岩、泥岩)。褐黄色、灰黑色为主，可塑，由下伏砂岩、泥岩风化残积而成粉质黏土或砂质黏土。该地层在部分钻孔中揭露，揭露层厚0.50～8.80 m。②残积土(花岗岩)。褐黄色为主，可塑—硬塑，由燕山期细粒花岗岩风化残积而成，大部分为砂质黏土，局部为砾质黏土。该地层在场地部分钻孔中揭露，层厚0.90～10.50 m。

1.2 检测地点

光明区存量排水设施提质增效工程(光明水质净化厂服务范围)测绘与评估、勘察设计光明街道存量排水管网内窥检测与评估场地位于光明区光明街道东周社区、翠湖社区、迳口社区、碧眼社区、光明社区，任务包括卫光生物、光明北农场基地、河心北路北建筑、宇翔科技园等71个地块，区块位置如图1所示。

图1 区块位置Fig.1 Block location

2.1 检测设备

(1)管道机器人。X5-HQ型管道机器人(CCTV)，该仪器采用了先进的科学技术和高分辨率的彩色摄像系统，可以通过控制台调整摄像头的高度、照明、焦距和速度，同时可以操纵爬行器行进方向，绕过管道内的障碍物。爬行器与镜头采用特殊的结构设计，密封性能良好，适合于检测水深10 m以下的地方。最大爬行坡度35°，测量范围45°，可输出管道坡度曲线。

(2)管道潜望镜。本次采用的管道潜望镜由防爆潜望镜机体、高强度碳纤维伸缩杆、激光测距仪、智能控制终端组成。主要应用于市政管网或工业容器快速成像检测，在检测过程中，通过操作智能控制终端可实时录制并保存被检测对象的内部影像，可快捷抓拍、保存缺陷图像，使用者据此可清晰地了解到检测对象目前状况，并做出正确的决策。仪器如图2所示。

图2 管道潜望镜Peek-2SFig.2 Pipeline periscope Peek-2S

2.2 管道评估方法

2.2.1 管道缺陷等级划分

缺陷等级分类见表1。

表1 缺陷等级分类Tab.1 Defect class classification

2.2.2 管段结构性状况评估方法

管段结构性缺陷等级评定对照见表2。

表2 管段结构性缺陷等级评定对照Tab.2 Evaluation and comparison of structural defects in pipe sections

管道结构性状况评估依据是管段修复指数RI，按照修复指数大小划定缺陷等级：

RI=0.7F+0.1K+0.05E+0.15T

(1)

式中，F为管段结构性缺陷参数；
K为地区重要性参数；
E为管道重要性参数；
T为土质影响参数。

管段的修复等级划分见表3。

表3 管道修复等级划分Tab.3 Classification of pipeline repairs

通过管道结构性评估RI值计算，根据规程规定划分管道的修复等级，提出管道存在结构性缺陷应采取的相应措施。

2.2.3 管段功能性状况评估方法

管段功能性缺陷等级评定见表4。

表4 管段功能性缺陷等级评定Tab.4 Evaluation of functional defect grade of pipe section

管道功能性状况评估依据是管段养护指数MI，按照养护指数大小划定养护等级：

MI=0.8G+0.15K+0.05E

(2)

式中，G为管段功能性缺陷参数；
K为地区重要性参数；
E为管道重要性参数。

管道养护等级划分见表5。

表5 管道养护等级划分Tab.5 Pipeline maintenance grade classification

通过管道功能性评估MI值计算，根据规程规定划分管道的养护等级，提出管道存在功能性缺陷应采取的相应措施。

2.3 内窥检测结果

本次管道内窥检测工作检测管段总数5 746段，存在缺陷的管段共2 850段，占总管段数的49.6%，共有4 800处缺陷。本文以光明街道卫光生物存量排水管道为例，卫光生物完成内窥检测缺陷见表6。

表6 卫光生物完成内窥检测缺陷Tab.6 Weiguang Biotech completes endoscopic detection of defects

3.1 地球物理特征

本次探测范围内，地表现状大多情况下为硬化混凝土路面，少数探测区域可能为绿化带。根据以往的探测经验，由于空洞区、土体松散区与周围密实土层、岩层间存在较大的介电常数和电导率差异，为采用地质雷达法提供了前提条件。常见介质的相对介电常数与地层电磁波速度见表7。

3.2 工作方法

3.2.1 地质雷达法

经过现场仔细踏勘，同时考虑本次探测目的、精度要求及场地条件，最后采用地质雷达法进行探测。地质雷达是应用高频脉冲电磁波探测隐蔽介质的分布，向被测物发射高频宽带短脉冲电磁波，当电磁波遇到不同介电特性的介质就会有部分返回，接收反射波并记录反射的时间。

根据接收到波的旅行时间(双程走时)、幅度频率与波形变化资料，可以推断介质内部结构以及目标体的深度、形状等特征参数。

表7 常见介质的相对介电常数与地层电磁波速度Tab.7 Relative permittivity of common medium and velocity of formation electromagnetic wave

脉冲波走时：

(3)

式中,x值在剖面探测中是固定的；
v值可以利用现成数据或测定获得，由式(3)可得目标体的深度值Z。

(1)电磁脉冲波旅行时间：

(4)

式中，z为勘查目标体的埋深；
x为发射、接收天线的距离(式中因z>x，故x可忽略)；
v为电磁波在介质中的传播速度。

(2)电磁波在介质中的传播速度：

(5)

式中，c为电磁波在真空中的传播速度；
εr为介质的相对介电常数；
μr为介质的相对磁导率(一般μr≈1)。

(3)电磁波的反射系数。电磁波在介质传播过程中，当遇到相对介电常数明显变化的地质现象时，电磁波将产生反射及透射现象，其反射和透射能量的分配主要与异常变化界面的电磁波反射系数有关：

(6)

式中，r为电磁波反射系数；
ε1为第1层介质的相对介电常数；
ε2为第2层介质的相对介电常数。

3.2.2 安全隐患识别

(1)密实。土体密实区一般介质相对均匀，电性差异小，没有明显的反射界面，雷达图像和波形特征通常表现为能量团分布均匀或仅在局部存在强反射细亮条纹，波形均匀，无杂乱反射。土体密实区雷达图像和波形特征如图3所示。

图3 土体密实区雷达图像和波形特征Fig.3 Dense radar image and waveform features

(2)松散。土体松散区域地下介质电性分布不均匀，存在多处反射界面，雷达图像和波形特征一般表现为同向轴错乱、不连续、杂乱无章。土体松散区雷达图像和波形特征如图4所示。

图4 土体松散区雷达图像和波形特征Fig.4 Radar image and waveform characteristics of loose soil area

(3)空洞。土体中存在空洞区域，地下空洞与其周围介质存在明显的电性差异，形成强反射界面，空洞在地质雷达图像上的特征主要取决于空洞的形状、大小，一般表现为同相轴开口向下的抛物曲线。空洞区雷达图像和波形特征如图5所示。

图5 空洞区雷达图像和波形特征Fig.5 Radar image and waveform characteristics of void regions

3.2.3 地面坍塌隐患评估

地面坍塌隐患评估依据深圳市地陷办《深圳市地面坍塌隐患等级及认定暂行办法》中关于地面坍塌隐患等级的规定，地面坍塌隐患依据其性质、危害程度、波及范围、影响力大小，由高到低划分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级4个级别。地下排水管道隐患等级认定标准见表8。

表8 地下排水管道隐患等级认定标准Tab.8 Criteria for the identification of hidden danger levels of underground drainage pipelines

3.3 工作布置

管道渗漏空洞探测的基本流程：接受任务→收集资料→现场踏勘→检测前的场地条件准备(如挪开车辆或其他障碍物)→现场检测并采集雷达数据—资料解译→对比分析真假异常→相互验证评估隐患等级→编写检测评估报告。

(1)排水管道内窥缺陷点地面位置确定。根据下达任务时设计提供的管道修复设计方案，按照缺陷类型和级别的主要原则，筛选出需要进行管道渗漏空洞探测的缺陷点，得到缺陷点的具体坐标及所属的管道编号，根据已探明的排水管网资料进行现场踏勘，根据管网图中的井号、坐标找到需探查的点位。

(2)排水管道外部隐患检测。对具备剖面布置条件处，原则上在管道左、中、右侧布置3条平行于管道走向的地质雷达剖面，获取管道周围的隐患长度资料；
在隐患点中心位置，垂直于管道走向方向，布置3条地质雷达剖面，获取管道周围的隐患宽度资料，即可圈定隐患点平面范围。以上地质雷达观测方式均为点测，点距根据隐患深度及现场条件，选择0.1 m或0.2 m。

(3)地面坍塌隐患安全评估。根据以上查明的管道埋设区域附近的隐伏空洞、土体松散区、渗漏区的情况，依据《深圳市地面坍塌隐患等级及认定暂行办法》对其危害程度做出评估并进行分级，提出各级隐患的处理与监测建议。

3.4 资料解释与成果分析

3.4.1 地质雷达资料整理解释方法

地质雷达数据处理的目的主要是压制各种噪声，增强有效信号，提高资料信噪比，以最大可能的分辨率在地质雷达图像剖面上显示反射波，以便从数据中提取速度、振幅、频率、相位等特征信息，帮助解释人员对资料进行有效的地质解释。地质雷达的数据处理流程一般分2部分。处理过程如图6所示。

图6 地质雷达数据处理工程Fig.6 Ground radar data processing engineering

3.4.2 成果分析

根据地质雷达探测资料，同时结合相关管道内窥资料综合分析，发现测区内存在284处土体松散异常区。本次管道渗漏空洞探测共发现地面坍塌Ⅲ级隐患22处，地面坍塌Ⅳ级隐患238处，地面坍塌低于Ⅳ级隐患24处。其中玉塘街为例，其空洞探测工作量明细见表9。

表9 玉塘街空洞探测工作量明细Tab.9 Workload of Yutang street void detection workload

根据地质雷达探测结果分析，玉塘街道地面坍塌隐患分布统计见表10。

表10 玉塘街道地面坍塌隐患分布统计Tab.10 Statistics on distribution of hidden dangers of ground collapse in Yutang Street

地质雷达探测结果如图7所示。

图7 地质雷达探测结果Fig.7 Geological radar detection results

(1)采用内窥检测技术，此次管道内窥检测工作检测管段总数为5 746段，存在缺陷管段共2 850段，占总管段数49.6%，缺陷共4 800处。

(2)根据地质雷达探测资料，同时结合相关管道内窥资料综合分析，发现测区内存在284处土体松散异常区，本次管道渗漏 空洞探测共发现地面坍塌Ⅲ级隐患22处，地面坍塌Ⅳ级隐患238处，地面坍塌低于Ⅳ级隐患24处。

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